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摘要：随着防渗加固技术的发展，劈裂灌浆具有技术经济、机理明确、工艺合理、施工简单的优点。用劈裂灌浆防渗加固技术来改进坝体的稳定性，是堤坝加固领域的一种非常有效的防渗加固方法。本文针对劈裂灌浆技术在堤坝防渗加固中的应用进行分析研究，并论述了施工中的注意事项，确保工程的施工质量。
关键词：劈裂灌浆；堤坝；防渗加固；施工工艺；质量控制；注意事项
随着使用期限的增加，堤坝往往会出现老化及异常情况，为了防止其产生渗透破坏直至产生溃坝等工程事故，必须根据情况对其进行修补、防渗加固。劈裂灌浆是利用水力劈裂原理和堤坝本身应力分布特点创造出的一种新型灌浆工艺。具有机理明确、设备简单、工艺简单，容易操作等特点。如何保证劈裂灌浆的施工质量，对堤坝的防渗加固显得尤为重要。
1 劈裂灌浆技术施工工艺
总体来说,劈裂灌浆技术经济、机理明确、工艺合理、施工简单,在工程中获得了广泛应用,但在实践中,还存在一些问题,如工期长、施工技术理论不完善等,所以需要对其施工工艺流程进行探析。
1.1 施工准备
坝体劈裂灌浆是针对有缺陷坝体进行的一种处理措施。因此,施工前应对被灌坝体进行资料搜集,全面掌握有关的技术资料,包括施工期和运行期两个阶段。施工期阶段:摸清坝体的水文地质条件、筑坝土料的物理力学性质、施工季节、每层铺土厚度、干密度合格率、合龙龙口位置等情况。运行阶段:自水库蓄水以来历年坝体沉陷、水平位移、测压管水位与库水位的关系、浸润线出逸点高程、孔隙水压力的变化过程、坝体坝基漏水位置及漏量与库水位的变化关系等,当发现有不正常现象时,可进行少量钻探、井探或电测法查明土坝隐患位置。在充分调查了解情况后,进行综合分析研究,根据坝体缺陷的性质、部位、施工技术等方面论证灌浆处理的必要性和灌浆方法的可行性。土坝灌浆前的准备工作除了资料搜集外还包括灌浆试验,需要通过灌浆试验确定各参数值,如灌浆孔的孔距和排距、灌浆压力、外加剂及其合适的掺量、浆液材料的配比等。虽然在现行规范《土坝坝体灌浆技术规范》(SD266-88)都有相关的规定,但并不一定适合即将加固的病险土坝,需要通过试验确定最优值。
1.2 布孔
劈裂灌浆一般采用坝顶单排布孔,对较高的土坝或隐患较多的土坝,可以采用双排或三排布孔；对于土坝表面已见裂缝和洞穴以及土坝岸坡段应多排梅花型布孔,也可沿裂缝布孔对于弯曲坝段,应采用梅花形布孔,适当加密孔距。
1.3 浆液选择
坝体劈裂灌浆对泥浆的一般要求是:可灌性好,稳定性高,析水固结快,形成浆体防渗性能强,变形模量与坝体土相近。泥浆的性能指标一般有密度(1.3～1.6g/cm3)、粘度(20～100s)、稳定性(0.05～0.1g/cm3)、失水量(制浆土料的性质、制浆时粘土颗粒的分散程度、泥浆容重的大小、外加压力、外加剂等)、胶体率(90%以上)和静切力(制浆土料的性质、粘土颗粒分散的程度、泥浆的密度大小、结构性能的强弱、外加剂的性能)等。可以看出,这些指标之间往往是矛盾的,所以,在选择浆液时,应统一考虑泥浆各种性能的相互关系,不能过分强调某一方面,宜通过实验来选择合适的浆液。
1.4 钻孔
对于劈裂灌浆钻孔施工,主要有以下几个方面的要求。
①孔位和孔斜满足设计要求,要求孔位偏差≤±3cm,孔斜不超过1%。
②孔径大小和钻孔深度要满足设计要求。根据灌浆方法选择合理的孔径,钻孔深度应大于隐患深度2～3m,或直达坝体覆盖层,若多排布孔且副排孔处无隐患时,副排孔孔深约为相应主排孔孔深的1/3。
③选用安全而有效的钻孔方法。钻孔究竟是干钻还是泥浆护壁,不能简单规定,需要依据实际情况选择,在保证大坝安全的前提下,选用有利于施工和能够保证效果的钻孔方法。一般根据钻孔深度选择钻孔机具。钻孔深度小于25m时,可用锤击打管机,其设备有三脚架、钻杆、锥形钻头、锤箍和100～200kg重的穿心吊锤等。钻孔深度超过25m,可用钻机,常用的钻机型号有XJ100-A型钻机、DPP-100型汽车钻机以及XJ300型钻机。
1.5 灌浆方法
因地制宜地选择合适的灌浆方法,大坝坝体的灌浆方法从“孔口注浆,全孔灌注”的充填式灌浆方法进化到“孔底注浆,全孔灌注”的白氏劈裂法后,在实践中又衍生出了“全孔护壁,孔底注浆”的章氏法和“循环劈裂式充填灌浆”等方法。各类方法都在其适应的坝型和工况下经过了实践的验证,取得了较好效果,需要根据实际情况进行选择。由长江科学院提出的用于高心墙坝的分段灌浆法,该法针对高薄心墙坝(超过50m),要求心墙中用干法钻孔,孔深达坝的一半时,下入套管并进行端部阻塞,阻塞长度一般不小于2m,变换钻孔孔径,用干法继续钻孔至设计要求部位。下灌浆管至距孔底0.5～1.0m,并用阻浆塞在上段套管中阻浆,防止浆液渗入上段,在确保坝体稳定的前提下,控制起始劈裂点位于坝体底部,提高孔口灌浆压力,保证灌浆效果。完成一次灌浆后,间隙3～5d,将灌浆管上提1～2m,进行第二次灌浆。下段经过5～10次复灌循环后,上拨上段套管并留2～3m的井口管,并在井口管中设置阻浆塞进行上段的灌浆。上段灌浆的孔口压力应进行合理控制,以保证坝体内劈外不劈。灌浆时灌浆管均下到距本段孔底1～2m处,完成一次灌浆后,间隙3～5d,将灌浆管上提1～2m,进行第二次灌浆。经过5～10次复灌循环后可停止本孔的灌浆。灌浆原则是:稀浆开路,浓浆灌注,分序分段,孔底注浆,控制浆量,少灌多复。此方法能够保障钻孔底部有足够的吃浆量,这是全孔灌浆的难点,值得借鉴和推广。
1.6 灌浆质量控制
(1)对于初灌和复灌不起压的钻孔,孔口灌浆压力应尽量小些,一般控制在0.05MPa以内。灌浆压力因孔而异,钻孔深度越深,控制压力越大。并且随着灌浆次数的增加,坝体密实度的提高,灌浆控制压力也将进一步增大。
(2)通过单孔控制的深度、距离和浆体密度计算每孔每次平均灌浆量。第一序孔灌浆量占总灌浆量的60%以上,灌浆次数为8～10次,第二、三序孔一般为5～8次。由于坝体质量不均匀,且初灌、复灌吃浆量不同,故不能按平均吃浆量进行控制,初灌可控制最大灌浆量為平均吃浆量的2倍。最小灌浆量则根据压力变化及坝顶冒浆情况而定。
(3)劈裂灌浆在孔内下3～5m深的护壁套管,以控制坝顶裂缝的发展和保护孔口。一旦坝顶出现裂缝,其宽度应控制在1～3cm范围内,长度不超过20m,每次停灌后24h内能回弹闭合为宜,不能完全回弹闭合的应做阻浆盖。
(4)为安全起见,灌浆最好在水库低水位时进行。库水位最好低于坝体主要缺陷部位。在浸润线以下灌浆,应采用较稠泥浆或掺少量速凝剂,每次复灌间隔时间,应视坝体内已灌浆液的固结情况而定,一般浸润线以下不少于10d,浸润线以上则不少于5d。
1.7 终灌标准及封孔
土坝劈裂灌浆的终灌标准,通常以直观上的饱、满、实为度,规定坝顶连续三次冒浆或连续二次超过控制压力、位移和裂缝宽度时,即可认为达到终灌标准,对于只需灌注某一深度范围的坝体,可在注浆管上部设护壁管或阻浆盖,终灌标准可以用单孔总灌浆量和灌浆压力控制。灌浆结束后,将注浆管拔出,注满稠浆,如果浆面下降,可继续灌注稠浆直至浆面升至坝顶不再下降为止。土坝灌浆后,会出现坝顶凹凸不平和表面裂缝的现象,坝顶高程也有所降低,需要在坝顶进行铺土碾压或者夯实整平。
2 施工注意事项
对病险土石坝采用劈裂灌浆处理,经常会在施工过程中出现裂缝、冒浆、串浆塌坑和隆起等问题。这些问题需要妥善合理地处理。
(1)裂缝
灌浆中出现的裂缝分为纵向缝和横向缝,一般出现在坝顶处。当坝顶出现纵向缝后,应分析发生的原因,如果是湿陷缝,可以继续灌浆,如果是劈裂缝,应加强观测,当裂缝发展到控制宽度时,应立即停灌,待裂缝基本闭合后再灌浆；当坝顶出现横向裂缝时,应立即停灌检查,如果裂缝深度较浅,可以开挖后用粘土回填夯实接着继续灌浆,如果裂缝较深,可用稠浆灌注裂缝进行封堵；当弯曲段出现裂缝时,应立即停灌,并在坝顶上游坝肩处沿裂缝布孔,按照多孔轮灌的方法灌注稠浆封堵裂缝,待处理好后再加密孔距,减少灌浆压力和每次灌浆量的方法进行轮灌或几孔同时灌注。
(2)冒浆
坝顶和坝坡冒浆,应立即停灌,挖开冒浆出口,用粘性土料回填夯实,钻孔周围冒浆,可采用压砂处理,再继续灌浆；白蚁洞穴冒浆,应先在冒浆口压砂堵塞洞口,再续灌；水下坝坡或土坝与其他建筑物接触带冒浆,可采用稠浆间歇灌注进行处理。
(3)串浆
当第一序孔灌浆时发现临近孔串浆,应加强观测和分析,如果确认对坝体安全无影响,灌浆孔和串浆孔可以同时灌注,如不宜同时灌注,可用木塞堵住串浆孔,然后继续灌浆；如果在灌浆后期相邻孔串浆,说明已形成连续的泥墙,可减少每次灌浆量；如果浆液串入测压管或浸润线管,在灌浆结束后再补设测压管或浸润线管。
(4)塌坑
在塌坑部位挖出部分泥浆,回填粘性土料,分层夯实即可。
(5)隆起
发现坝坡隆起时,应立即停灌,分析原因,如确认不是与滑坡有关的隆起,待停5～10d后可继续灌浆,但需要重点监视。
3 结语
随着科技的进步，我国研究出了不少堤坝防渗加固新技术，劈裂灌浆技术只是其中的一种。每种技术各自的原理、施工工艺、优缺点和适用性。在工程实际中，根据工程的实际情况选择相应的综合防渗技术，以达到科学、经济、合理的目的。
参考文献
[1] 黄正华，劈裂灌浆防渗技术在大坝中的应用研究[J]大科技：科技天地，2011.08
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：劈裂灌浆；堤坝；防渗加固；施工工艺；质量控制；注意事项
随着使用期限的增加，堤坝往往会出现老化及异常情况，为了防止其产生渗透破坏直至产生溃坝等工程事故，必须根据情况对其进行修补、防渗加固。劈裂灌浆是利用水力劈裂原理和堤坝本身应力分布特点创造出的一种新型灌浆工艺。具有机理明确、设备简单、工艺简单，容易操作等特点。如何保证劈裂灌浆的施工质量，对堤坝的防渗加固显得尤为重要。
1 劈裂灌浆技术施工工艺
总体来说,劈裂灌浆技术经济、机理明确、工艺合理、施工简单,在工程中获得了广泛应用,但在实践中,还存在一些问题,如工期长、施工技术理论不完善等,所以需要对其施工工艺流程进行探析。
1.1 施工准备
坝体劈裂灌浆是针对有缺陷坝体进行的一种处理措施。因此,施工前应对被灌坝体进行资料搜集,全面掌握有关的技术资料,包括施工期和运行期两个阶段。施工期阶段:摸清坝体的水文地质条件、筑坝土料的物理力学性质、施工季节、每层铺土厚度、干密度合格率、合龙龙口位置等情况。运行阶段:自水库蓄水以来历年坝体沉陷、水平位移、测压管水位与库水位的关系、浸润线出逸点高程、孔隙水压力的变化过程、坝体坝基漏水位置及漏量与库水位的变化关系等,当发现有不正常现象时,可进行少量钻探、井探或电测法查明土坝隐患位置。在充分调查了解情况后,进行综合分析研究,根据坝体缺陷的性质、部位、施工技术等方面论证灌浆处理的必要性和灌浆方法的可行性。土坝灌浆前的准备工作除了资料搜集外还包括灌浆试验,需要通过灌浆试验确定各参数值,如灌浆孔的孔距和排距、灌浆压力、外加剂及其合适的掺量、浆液材料的配比等。虽然在现行规范《土坝坝体灌浆技术规范》(SD266-88)都有相关的规定,但并不一定适合即将加固的病险土坝,需要通过试验确定最优值。
1.2 布孔
劈裂灌浆一般采用坝顶单排布孔,对较高的土坝或隐患较多的土坝,可以采用双排或三排布孔；对于土坝表面已见裂缝和洞穴以及土坝岸坡段应多排梅花型布孔,也可沿裂缝布孔对于弯曲坝段,应采用梅花形布孔,适当加密孔距。
1.3 浆液选择
坝体劈裂灌浆对泥浆的一般要求是:可灌性好,稳定性高,析水固结快,形成浆体防渗性能强,变形模量与坝体土相近。泥浆的性能指标一般有密度(1.3～1.6g/cm3)、粘度(20～100s)、稳定性(0.05～0.1g/cm3)、失水量(制浆土料的性质、制浆时粘土颗粒的分散程度、泥浆容重的大小、外加压力、外加剂等)、胶体率(90%以上)和静切力(制浆土料的性质、粘土颗粒分散的程度、泥浆的密度大小、结构性能的强弱、外加剂的性能)等。可以看出,这些指标之间往往是矛盾的,所以,在选择浆液时,应统一考虑泥浆各种性能的相互关系,不能过分强调某一方面,宜通过实验来选择合适的浆液。
1.4 钻孔
对于劈裂灌浆钻孔施工,主要有以下几个方面的要求。
①孔位和孔斜满足设计要求,要求孔位偏差≤±3cm,孔斜不超过1%。
②孔径大小和钻孔深度要满足设计要求。根据灌浆方法选择合理的孔径,钻孔深度应大于隐患深度2～3m,或直达坝体覆盖层,若多排布孔且副排孔处无隐患时,副排孔孔深约为相应主排孔孔深的1/3。
③选用安全而有效的钻孔方法。钻孔究竟是干钻还是泥浆护壁,不能简单规定,需要依据实际情况选择,在保证大坝安全的前提下,选用有利于施工和能够保证效果的钻孔方法。一般根据钻孔深度选择钻孔机具。钻孔深度小于25m时,可用锤击打管机,其设备有三脚架、钻杆、锥形钻头、锤箍和100～200kg重的穿心吊锤等。钻孔深度超过25m,可用钻机,常用的钻机型号有XJ100-A型钻机、DPP-100型汽车钻机以及XJ300型钻机。
1.5 灌浆方法
因地制宜地选择合适的灌浆方法,大坝坝体的灌浆方法从“孔口注浆,全孔灌注”的充填式灌浆方法进化到“孔底注浆,全孔灌注”的白氏劈裂法后,在实践中又衍生出了“全孔护壁,孔底注浆”的章氏法和“循环劈裂式充填灌浆”等方法。各类方法都在其适应的坝型和工况下经过了实践的验证,取得了较好效果,需要根据实际情况进行选择。由长江科学院提出的用于高心墙坝的分段灌浆法,该法针对高薄心墙坝(超过50m),要求心墙中用干法钻孔,孔深达坝的一半时,下入套管并进行端部阻塞,阻塞长度一般不小于2m,变换钻孔孔径,用干法继续钻孔至设计要求部位。下灌浆管至距孔底0.5～1.0m,并用阻浆塞在上段套管中阻浆,防止浆液渗入上段,在确保坝体稳定的前提下,控制起始劈裂点位于坝体底部,提高孔口灌浆压力,保证灌浆效果。完成一次灌浆后,间隙3～5d,将灌浆管上提1～2m,进行第二次灌浆。下段经过5～10次复灌循环后,上拨上段套管并留2～3m的井口管,并在井口管中设置阻浆塞进行上段的灌浆。上段灌浆的孔口压力应进行合理控制,以保证坝体内劈外不劈。灌浆时灌浆管均下到距本段孔底1～2m处,完成一次灌浆后,间隙3～5d,将灌浆管上提1～2m,进行第二次灌浆。经过5～10次复灌循环后可停止本孔的灌浆。灌浆原则是:稀浆开路,浓浆灌注,分序分段,孔底注浆,控制浆量,少灌多复。此方法能够保障钻孔底部有足够的吃浆量,这是全孔灌浆的难点,值得借鉴和推广。
1.6 灌浆质量控制
(1)对于初灌和复灌不起压的钻孔,孔口灌浆压力应尽量小些,一般控制在0.05MPa以内。灌浆压力因孔而异,钻孔深度越深,控制压力越大。并且随着灌浆次数的增加,坝体密实度的提高,灌浆控制压力也将进一步增大。
(2)通过单孔控制的深度、距离和浆体密度计算每孔每次平均灌浆量。第一序孔灌浆量占总灌浆量的60%以上,灌浆次数为8～10次,第二、三序孔一般为5～8次。由于坝体质量不均匀,且初灌、复灌吃浆量不同,故不能按平均吃浆量进行控制,初灌可控制最大灌浆量為平均吃浆量的2倍。最小灌浆量则根据压力变化及坝顶冒浆情况而定。
(3)劈裂灌浆在孔内下3～5m深的护壁套管,以控制坝顶裂缝的发展和保护孔口。一旦坝顶出现裂缝,其宽度应控制在1～3cm范围内,长度不超过20m,每次停灌后24h内能回弹闭合为宜,不能完全回弹闭合的应做阻浆盖。
(4)为安全起见,灌浆最好在水库低水位时进行。库水位最好低于坝体主要缺陷部位。在浸润线以下灌浆,应采用较稠泥浆或掺少量速凝剂,每次复灌间隔时间,应视坝体内已灌浆液的固结情况而定,一般浸润线以下不少于10d,浸润线以上则不少于5d。
1.7 终灌标准及封孔
土坝劈裂灌浆的终灌标准,通常以直观上的饱、满、实为度,规定坝顶连续三次冒浆或连续二次超过控制压力、位移和裂缝宽度时,即可认为达到终灌标准,对于只需灌注某一深度范围的坝体,可在注浆管上部设护壁管或阻浆盖,终灌标准可以用单孔总灌浆量和灌浆压力控制。灌浆结束后,将注浆管拔出,注满稠浆,如果浆面下降,可继续灌注稠浆直至浆面升至坝顶不再下降为止。土坝灌浆后,会出现坝顶凹凸不平和表面裂缝的现象,坝顶高程也有所降低,需要在坝顶进行铺土碾压或者夯实整平。
2 施工注意事项
对病险土石坝采用劈裂灌浆处理,经常会在施工过程中出现裂缝、冒浆、串浆塌坑和隆起等问题。这些问题需要妥善合理地处理。
(1)裂缝
灌浆中出现的裂缝分为纵向缝和横向缝,一般出现在坝顶处。当坝顶出现纵向缝后,应分析发生的原因,如果是湿陷缝,可以继续灌浆,如果是劈裂缝,应加强观测,当裂缝发展到控制宽度时,应立即停灌,待裂缝基本闭合后再灌浆；当坝顶出现横向裂缝时,应立即停灌检查,如果裂缝深度较浅,可以开挖后用粘土回填夯实接着继续灌浆,如果裂缝较深,可用稠浆灌注裂缝进行封堵；当弯曲段出现裂缝时,应立即停灌,并在坝顶上游坝肩处沿裂缝布孔,按照多孔轮灌的方法灌注稠浆封堵裂缝,待处理好后再加密孔距,减少灌浆压力和每次灌浆量的方法进行轮灌或几孔同时灌注。
(2)冒浆
坝顶和坝坡冒浆,应立即停灌,挖开冒浆出口,用粘性土料回填夯实,钻孔周围冒浆,可采用压砂处理,再继续灌浆；白蚁洞穴冒浆,应先在冒浆口压砂堵塞洞口,再续灌；水下坝坡或土坝与其他建筑物接触带冒浆,可采用稠浆间歇灌注进行处理。
(3)串浆
当第一序孔灌浆时发现临近孔串浆,应加强观测和分析,如果确认对坝体安全无影响,灌浆孔和串浆孔可以同时灌注,如不宜同时灌注,可用木塞堵住串浆孔,然后继续灌浆；如果在灌浆后期相邻孔串浆,说明已形成连续的泥墙,可减少每次灌浆量；如果浆液串入测压管或浸润线管,在灌浆结束后再补设测压管或浸润线管。
(4)塌坑
在塌坑部位挖出部分泥浆,回填粘性土料,分层夯实即可。
(5)隆起
发现坝坡隆起时,应立即停灌,分析原因,如确认不是与滑坡有关的隆起,待停5～10d后可继续灌浆,但需要重点监视。
3 结语
随着科技的进步，我国研究出了不少堤坝防渗加固新技术，劈裂灌浆技术只是其中的一种。每种技术各自的原理、施工工艺、优缺点和适用性。在工程实际中，根据工程的实际情况选择相应的综合防渗技术，以达到科学、经济、合理的目的。
参考文献
[1] 黄正华，劈裂灌浆防渗技术在大坝中的应用研究[J]大科技：科技天地，2011.08
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。